СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОДИАПАЗОННЫХ МЕЖСПУТНИКОВЫХ ТРАКТОВ

COMPARATIVE ANALYSIS OF OPTICAL AND RADIO-RANGE INTERSATELLITE LINKS

Shalapanov Nikita

Cadet, branch of the Military Academy named after Peter the Great, Russia, Serpukhov

Yurkov Vladislav

Cadet, branch of the Military Academy named after Peter the Great, Russia, Serpukhov

Аннотация. В статье проведен сравнительный анализ оптических (лазерных) и радиодиапазонных межспутниковых трактов передачи данных. Рассмотрены физические принципы функционирования, энергетические, массогабаритные и эксплуатационные характеристики. Особое внимание уделено российским разработкам в области межспутниковой оптической связи, включая проект «Рассвет» компании «Бюро 1440», а также научным исследованиям ведущих отечественных университетов. Обоснована целесообразность гибридного применения рассмотренных типов трактов в перспективных низкоорбитальных группировках связи.

Abstract. The article presents a comparative analysis of optical (laser) and radio-range intersatellite data transmission links. The physical principles of operation, energy, mass-dimensional and operational characteristics are considered. Special attention is paid to Russian developments in the field of intersatellite optical communication, including the "Rassvet" project of "Bureau 1440" company, as well as scientific research of leading domestic universities. The expediency of hybrid application of the considered types of links in promising low-orbit communication constellations is substantiated.

Ключевые слова: межспутниковая связь, лазерный терминал, радиосвязь, «Бюро 1440», система «Рассвет», оптические тракты, низкая орбита, гибридные системы связи.

Keywords: intersatellite communication, laser terminal, radio communication, "Bureau 1440", "Rassvet" system, optical links, low orbit, hybrid communication systems.

Современный этап развития космической связи характеризуется стремительным ростом объемов передаваемых данных, вызванным как увеличением числа спутников в составе орбитальных группировок, так и повышением требований к скорости и надежности информационного обмена. Традиционные радиодиапазонные системы межспутниковой связи, базирующиеся на использовании СВЧ-диапазона (Ku, Ka, V-диапазоны), приближаются к физическим пределам своей пропускной способности при одновременном росте требований к энергопотреблению и массогабаритным характеристикам бортовой аппаратуры.

Альтернативой выступают оптические системы связи, использующие лазерное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне. Данные системы демонстрируют существенно более высокую энергетическую эффективность и пропускную способность, что делает их наиболее перспективным направлением для построения магистральных межспутниковых линий связи.

Для Российской Федерации развитие технологий межспутниковой связи имеет особое значение. В рамках реализации проектов по созданию низкоорбитальных группировок, таких как система «Рассвет», разрабатываемая компанией «Бюро 1440», решаются задачи обеспечения высокоскоростным доступом в сеть передачи данных удаленных и труднодоступных территорий, включая Арктическую зону и Северный морской путь.

Целью настоящей работы является количественное и качественное сравнение оптических и радиодиапазонных межспутниковых трактов по совокупности ключевых параметров, а также определение оптимальных областей их применения в перспективных российских космических системах связи. На мировом уровне ведущей компанией в области внедрения лазерной межспутниковой связи в коммерческих низкоорбитальных системах выступает SpaceX с проектом Starlink. Межспутниковые лазерные тракты (Inter-Satellite Links) в данной системе обеспечивают передачу данных между аппаратами со скоростью до 100 Гбит/с, позволяя снизить задержки и уменьшить зависимость от наземной инфраструктуры. Опыт эксплуатации данной группировки подтвердил техническую состоятельность и коммерческую эффективность оптических межспутниковых каналов.

В Российской Федерации в развитии технологий лазерной межспутниковой связи выступает частная компания «Бюро 1440». В рамках проекта создания низкоорбитальной спутниковой системы «Рассвет» была проведена серия успешных экспериментов. 30 мая 2024 года в ходе испытаний аппаратов «Рассвет-2» был впервые в России успешно осуществлен сеанс лазерной межспутниковой связи на дальности более 1000 км со скоростью передачи данных 10 Гбит/с [1].

Радиодиапазонные тракты используют электромагнитные волны в диапазонах от 1 до 300 ГГц. Передача данных осуществляется с использованием различных видов модуляции (QPSK, 16QAM и выше). Диаграмма направленности антенных систем для межспутниковых линий, как правило, имеет ширину от единиц до десятков градусов, что упрощает наведение, но снижает энергетическую скрытность. Оптические тракты функционируют в ближнем инфракрасном диапазоне (1550 нм — наиболее распространенный для волоконно-оптических систем и космических применений). Для передачи данных используется интенсивная модуляция (OOK — On-Off Keying) или более сложные виды модуляции, такие как BPSK или QPSK в когерентных системах. Ключевой особенностью является крайне малая расходимость лазерного луча (порядка 10–100 мкрад), что обеспечивает высокую концентрацию энергии и скрытность передачи, но предъявляет жесткие требования к точности взаимного наведения спутников.

Для наглядного сравнения характеристик межспутниковых трактов различных типов приведем сводную таблицу (Таблица 1), основанную на анализе данных отечественных разработок и доступных зарубежных аналогов.

Таблица 1.

Сравнение параметров межспутниковых трактов

Как следует из представленных данных, оптические тракты имеют преимущество по всем ключевым параметрам, за исключением сложности систем наведения. Скорость передачи в оптическом канале может быть на порядок выше при меньших массе и энергопотреблении.

Космическое пространство предъявляет жесткие требования к элементной базе. Радиационная стойкость компонентов, способность выдерживать термоциклирование и вакуум являются критическими факторами, определяющими срок активного существования аппарата. Для радиодиапазонных трактов проблема радиационной стойкости СВЧ-усилителей и приемных устройств в значительной степени решена, однако их массогабаритные характеристики и энергопотребление остаются высокими [2, с. 48].

В случае оптических трактов критическим звеном являются полупроводниковые лазерные диоды и оптические усилители (EDFA — эрбиевые волоконные усилители). Проблема обеспечения радиационной стойкости этих элементов в настоящее время активно решается.

Энергетическая эффективность системы связи оценивается количеством бит переданной информации на один джоуль затраченной энергии (бит/Дж). Для радиодиапазонных систем на низких орбитах этот показатель находится в диапазоне 10⁸–10⁹ бит/Дж. Благодаря высокой направленности излучения (малой расходимости луча) оптические системы достигают показателя 10¹⁰–10¹¹ бит/Дж [3, с. 82].

Рисунок 1. Зависимость энергетической эффективности от дальности связи

Это преимущество делает оптические тракты особенно привлекательными для малых спутников, где бюджеты массы и мощности ограничены. Использование лазерной связи позволяет встроить высокоскоростные межспутниковые каналы в аппараты с массой до 100–200 кг, что соответствует формату спутников системы «Рассвет».

В условиях плотного орбитального построения проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) становится критической. Широкие диаграммы направленности радиосистем создают взаимные помехи, требуют сложного частотно-территориального планирования и координации использования радиочастотного спектра . Более того, радиосигнал может быть относительно легко перехвачен или подавлен средствами радиоэлектронной борьбы.

Лазерные межспутниковые тракты, напротив, практически не создают электромагнитных помех для бортовой аппаратуры и не подвержены воздействию внешних электромагнитных излучений. Крайне узкая диаграмма направленности лазерного луча обеспечивает высокую скрытность передачи данных, так как перехват сигнала возможен только при нахождении приемного устройства непосредственно в луче. Это свойство имеет важное значение для обеспечения защищенности передачи информации в государственных и военных системах связи.

Основным системным недостатком оптических межспутниковых трактов является высокая сложность обеспечения точного наведения и сопровождения. Угол расходимости луча в 10–50 мкрад требует, чтобы система ориентации и стабилизации спутника обеспечивала наведение с точностью до единиц-десятков мкрад. Это достигается использованием:

- высокоточных астродатчиков;

- прецизионных маховичных исполнительных органов;

- дополнительных систем грубого и точного наведения в составе самого оптического терминала.

Радиодиапазонные системы с шириной луча в градусы предъявляют существенно более низкие требования к точности ориентации, что упрощает их интеграцию и повышает устойчивость связи при возмущающих воздействиях. Однако современные системы управления ориентацией спутников позволяют обеспечить необходимую точность для оптических каналов, что подтверждается успешными экспериментами «Бюро 1440» .

Проведенный сравнительный анализ оптических и радиодиапазонных межспутниковых трактов позволяет сделать следующие выводы:

1. Оптические тракты обеспечивают значительный выигрыш по энергетической эффективности (в 2–3 порядка), пропускной способности (до 100 Гбит/с против единиц Гбит/с для радиосистем), массе и габаритам бортовой аппаратуры, что делает их технологической основой для построения магистральных линий связи в низкоорбитальных группировках нового поколения [3, с. 84–85].

2. Радиодиапазонные тракты сохраняют актуальность в качестве каналов служебной связи (телеметрия, командные линии), резервных каналов для обеспечения гарантированной связи при сбоях систем наведения, а также для связи с наземными станциями, где атмосферные явления (облачность) могут существенно ослаблять оптический сигнал [2, с. 50].

3. Стратегически обоснованным для Российской Федерации является построение гибридных систем межспутниковой связи. Магистральный трафик между спутниками в группировке целесообразно передавать по оптическим каналам, как это реализуется в проекте «Рассвет» компании «Бюро 1440». Для обеспечения надежности, резервирования и служебных функций должны использоваться радиоканалы .